(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２アームＰＷＭ変調制御により直流電力を三相の交流電力に変換する電力変換装置であって、
複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路と、
前記主回路の電圧指令値を生成する電圧指令生成部と、
前記主回路の出力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部と、
前記出力電流および前記電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部と、
前記力率に応じた周波数のキャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、
前記電圧指令値と前記キャリア信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
２アームＰＷＭ変調制御により三相の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路と、
前記主回路の電圧指令値を生成する電圧指令生成部と、
前記主回路の入力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部と、
前記入力電流および前記電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部と、
前記力率に応じた周波数のキャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、
前記電圧指令値と前記キャリア信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
前記キャリア信号生成部は、前記力率と前記キャリア信号の周波数との関係に基づいて、前記キャリア信号の周波数を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記キャリア信号生成部は、前記力率が０に近づくに従い、前記キャリア信号の周波数を低くすることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
２アームＰＷＭ変調制御により直流電力を三相の交流電力に変換する電力変換装置であって、
複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路と、
前記主回路の電圧指令値を生成する電圧指令生成部と、
前記主回路の出力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部と、
前記出力電流および前記電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部と、
キャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、
前記力率に応じた電流保護レベルを演算する電流保護レベル演算部と、
前記電圧指令値と前記キャリア信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記出力電流が前記電流保護レベルを超えた場合に、前記主回路を停止させる電流保護監視部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
２アームＰＷＭ変調制御により三相の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路と、
前記主回路の電圧指令値を生成する電圧指令生成部と、
前記主回路の入力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部と、
前記入力電流および前記電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部と、
キャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、
前記力率に応じた電流保護レベルを演算する電流保護レベル演算部と、
前記電圧指令値と前記キャリア信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記入力電流が前記電流保護レベルを超えた場合に、前記主回路を停止させる電流保護監視部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
前記電流保護レベル演算部は、前記力率と前記電流保護レベルを示す電流情報との関係に基づいて、前記電流保護レベルを算出することを特徴とする請求項５または６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電流保護レベル演算部は、前記力率が０に近づくに従い、前記電流保護レベルを低くすることを特徴とする請求項５または６に記載の電力変換装置。
【請求項９】
２アームＰＷＭ変調制御により直流電力を三相の交流電力に変換する電力変換装置であって、
複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路と、
前記主回路の温度を検出する温度検出部と、
前記主回路の電圧指令値を生成する電圧指令生成部と、
前記主回路の出力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部と、
前記出力電流および前記電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部と、
キャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、
前記力率に応じた過熱保護レベルを演算する過熱保護レベル演算部と、
前記電圧指令値と前記キャリア信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記主回路の温度が前記過熱保護レベルを超えた場合に、前記主回路を停止させる過熱保護監視部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
２アームＰＷＭ変調制御により三相の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路と、
前記主回路の温度を検出する温度検出部と、
前記主回路の電圧指令値を生成する電圧指令生成部と、
前記主回路の入力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部と、
前記入力電流および前記電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部と、
キャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、
前記力率に応じた過熱保護レベルを演算する過熱保護レベル演算部と、
前記電圧指令値と前記キャリア信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記主回路の温度が前記過熱保護レベルを超えた場合に、前記主回路を停止させる過熱保護監視部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
前記過熱保護レベル演算部は、前記力率と前記過熱保護レベルを示す温度情報との関係に基づいて、前記過熱保護レベルを算出することを特徴とする請求項９または１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記過熱保護レベル演算部は、前記力率が０に近づくに従い、前記過熱保護レベルを低くすることを特徴とする請求項９または１０に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
２アームＰＷＭ変調制御により直流電力を三相の交流電力に変換する電力変換装置であって、
複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路と、
前記主回路を冷却する冷却機構と、
前記主回路の電圧指令値を生成する電圧指令生成部と、
前記主回路の出力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部と、
前記出力電流および前記電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部と、
キャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、
前記電圧指令値と前記キャリア信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記力率に応じて前記冷却機構の冷却能力を制御する冷却機構制御部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】
２アームＰＷＭ変調制御により三相の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、
複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路と、
前記主回路を冷却する冷却機構と、
前記主回路の電圧指令値を生成する電圧指令生成部と、
前記主回路の入力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部と、
前記入力電流および前記電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部と、
キャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、
前記電圧指令値と前記キャリア信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、
前記力率に応じて前記冷却機構の冷却能力を制御する冷却機構制御部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１５】
前記冷却機構制御部は、前記力率と前記冷却機構の冷却能力を示す電気諸量との関係に基づいて、前記冷却機構の冷却能力を算出することを特徴とする請求項１３または１４に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記冷却機構制御部は、前記力率が０に近づくに従い、前記冷却機構の冷却能力を高くすることを特徴とする請求項１３または１４に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記冷却機構は、前記主回路に取り付けられた放熱器の冷却能力を可変可能なファンであり、前記冷却機構制御部は、前記冷却機構の冷却能力の指標として、前記ファンの回転数を可変することを特徴とする請求項１３または１４に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記冷却機構制御部は、前記力率と前記ファンの回転数との関係に基づいて、前記ファンの回転数を算出することを特徴とする請求項１７に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記冷却機構制御部は、前記力率が０に近づくに従い、前記ファンの回転数を高くすることを特徴とする請求項１７に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、６つのスイッチング素子がブリッジ接続されて構成された主回路を用いた電力変換装置のパルス幅変調（ＰＷＭ変調）方式として、所謂２アームＰＷＭ変調制御が一般的に用いられている。【０００３】
２アームＰＷＭ変調制御は、三相のうちの一相のスイッチング制御を一定期間停止して残る二相をスイッチング制御するものであり、一相分のスイッチング制御を行わないことで、スイッチングロスの低減を図ることができる。【０００４】
２アームＰＷＭ変調制御において、スイッチングロスの低減効果を考慮すれば、一相のスイッチング制御を停止する期間は、主回路の三相入出力電流のピーク値付近とするのが最も効率的である。このため、例えば、いずれかの相の相電圧および線電流を検出して力率角を求め、この力率角に基づき、スイッチングを停止する区間が相電流のピーク付近に追従するように各相ＰＷＭ信号を制御する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−４６８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来技術では、求めた力率角に応じて、電圧指令値の位相に対しスイッチング停止区間を制御する必要があるため制御が複雑化する。一方、２アームＰＷＭ変調制御において、一相のスイッチング制御を停止する区間は、三相の電圧指令値のピーク付近の６０°の間とするのが一般的であり、この場合には、予め想定される力率に応じた設計を行う必要があるが、想定したよりも力率が大きい場合には過剰品質となり、電力変換装置の能力を十分に活用できない場合がある。また、想定したよりも力率が小さい場合には、スイッチングロスが想定よりも大きくなることによる故障を防ぐために力率に制限を設けると汎用性が低下することとなる。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、２アームＰＷＭ変調制御により電力変換を行う電力変換装置において、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換装置は、２アームＰＷＭ変調制御により三相の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路と、前記主回路の電圧指令値を生成する電圧指令生成部と、前記主回路の出力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部と、前記出力電流および前記電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部と、前記力率に応じた周波数のキャリア信号を生成するキャリア信号生成部と、前記電圧指令値と前記キャリア信号とを比較して、前記スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、２アームＰＷＭ変調制御により電力変換を行う電力変換装置において、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得ることができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる電力変換装置として、インバータ装置を構成した一例を示す図である。
【図２】図２は、一般的な２アームＰＷＭ変調制御における３相の電圧指令値の一波形例を示す図である。
【図３】図３は、一般的な２アームＰＷＭ変調制御における電圧指令値、キャリア信号、および出力電圧の各波形例を示す図である。
【図４】図４は、一般的な２アームＰＷＭ変調制御における各相の電圧指令値と出力電流との関係を示す図である（力率＝１）。
【図５】図５は、一般的な２アームＰＷＭ変調制御における各相の電圧指令値と出力電流との関係を示す図である（力率＝０）。
【図６】図６は、実施の形態１にかかる電力変換装置として、コンバータ装置を構成した一例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態２にかかる電力変換装置として、インバータ装置を構成した一例を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態２にかかる電力変換装置として、コンバータ装置を構成した一例を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態３にかかる電力変換装置として、インバータ装置を構成した一例を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３にかかる電力変換装置として、コンバータ装置を構成した一例を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態４にかかる電力変換装置として、インバータ装置を構成した一例を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４にかかる電力変換装置として、コンバータ装置を構成した一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、電力変換装置として、インバータ装置を構成した一例を示す図である。図１に示す例では、直流電源１００から直流電力を供給され、負荷７として接続されたＩＭモータに交流電力を供給する構成例を示している。
【００１３】
実施の形態１にかかる電力変換装置は、２つのスイッチング素子（図示せず）が直列接続されて構成される三相のアームを含み構成される主回路１と、主回路１を構成する各相アームに対する三相の電圧指令値を生成する電圧指令生成部２と、主回路１の各相アームの出力電流を検出する電流検出部３と、主回路１の各相アームの出力電流および各相の電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部４と、力率に応じた周波数のキャリア信号を生成するキャリア信号生成部５と、電圧指令値とキャリア信号とを比較して、主回路１を構成する各相アームの各スイッチング素子をスイッチング制御するためのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部６とを備えている。なお、主回路１については公知であるため、ここでは図示を省略している。また、電流検出部３は、少なくとも１相のアームの出力電流が検出できるものであればよい。力率演算部４は、検出した出力電流およびその出力電流に対応する相の電圧指令値から力率演算を行うものとする。
【００１４】
つぎに、三相のアームのうちの一相のアームのスイッチング制御を一定期間停止して、残る二相のアームをスイッチング制御する一般的な２アームＰＷＭ変調制御の制御例について説明する。
【００１５】
図２は、一般的な２アームＰＷＭ変調制御における３相の電圧指令値の一波形例を示す図である。図２において、実線はＵ相電圧指令値の波形例を示し、破線はＶ相電圧指令値の波形例を示し、一点鎖線はＷ相電圧指令値の波形例を示している。また、図３は、一般的な２アームＰＷＭ変調制御における電圧指令値、キャリア信号、および出力電圧の各波形例を示す図である。
【００１６】
２アームＰＷＭ変調制御では、図２に示すように、各相電圧指令値のピークにおいて、それぞれ６０°のスイッチング停止区間を設けるのが一般的であり、図３に示すように、各相毎の電圧指令値とキャリア信号とを比較して生成されたＰＷＭ信号により各相アームの各スイッチング素子をＰＷＭ制御することで、それぞれ６０°ずつ位相を変えながら各相アームのスイッチング停止区間を発生させる。これにより、相間の電圧を正弦波状に保ちながら、スイッチング回数を減らすことができ、その結果として、スイッチングロスも低減することができる。
【００１７】
ここで、２アームＰＷＭ変調制御時における各相の出力電流とスイッチングロスとの関係について説明する。図４および図５は、一般的な２アームＰＷＭ変調制御における各相の電圧指令値と出力電流との関係を示す図である。図４は、力率が１である場合の例を示し、図５は、力率が０である場合の例を示している。
【００１８】
スイッチングロスは、スイッチング時における出力電流の瞬時絶対値に比例し、出力電流のピークでスイッチングした場合に最も大きくなる。図４に示すように、力率が１、つまり、電圧指令値の位相と出力電流の位相とが一致する場合には、スイッチング停止区間と出力電流のピーク区間とが一致し、２アームＰＷＭ変調制御によるスイッチングロス低減効果が最も大きく表れることとなる。
【００１９】
一方、電圧指令値との位相と出力電流の位相とがずれると、スイッチング停止区間と出力電流のピーク区間との間にずれが生じ、出力電流のピーク区間でスイッチング動作が行われることとなり、図５に示すように、電圧指令値との位相と出力電流の位相とが９０°ずれた力率０の場合には、２アームＰＷＭ変調制御によるスイッチングロス低減効果が最も得られ難くなる。
【００２０】
一方、力率は、負荷として接続される機器により異なるため、スイッチングロスの大きさも負荷として接続される機器により異なる。つまり、負荷として接続される機器を想定して、キャリア周波数や過電流保護、過熱保護設計等を行う必要がある。
【００２１】
また、実運用段階で、設計段階における想定よりも力率が小さくなる場合には、損失が大きくなり設計段階における出力電流の定格値やスイッチング素子の放熱設計のマージンを超えて故障に至ることが考えられるため、予め力率に制限を設けるか、あるいは、マージンを大きくして、例えば力率０でも耐え得るような設計とする必要があるが、力率に制限を設けると汎用性が損なわれ、マージンを大きくすると力率が大きい場合には過剰品質となり装置の能力を十分に活用できない。
【００２２】
本実施の形態では、上述した２アームＰＷＭ変調制御を行う際に、力率に応じて、キャリア信号の周波数を変化させる。キャリア信号の周波数が高いと、制御の応答性の向上や、負荷７がＩＭモータ等の電動機である場合には、モータから発生する騒音を低減することができるが、その反面、スイッチング回数が増加するため、スイッチングロスが大きくなる。力率が小さい場合には、上述したように２アームＰＷＭ変調制御によるスイッチングロス低減効果が小さくなり、結果としてスイッチングロスが増大することとなる。
【００２３】
このため、本実施の形態では、力率演算部４において、電流検出部３により検出される出力電流と、電圧指令生成部２から出力される電圧指令値とを用いて力率を求め、キャリア信号生成部５において、力率演算部４により求められた力率が０に近づくに従い、キャリア信号の周波数を低くする。このようにすれば、力率が大きい場合に必要なマージンを確保しつつ、力率が小さく、２アームＰＷＭ変調制御によるスイッチングロス低減効果が小さい場合でも、マージンを超えて故障に至ることを防止することができる。
【００２４】
また、例えば、力率０を想定した設計を行った電力変換装置を力率１で運用する場合には、発生損失が想定よりも小さくなる。そこで、その損失マージンを有効に利用して、力率が１に近づくに従い、キャリア信号の周波数を高くすることで、負荷７として接続されたＩＭモータから発生する騒音を低減できる。
【００２５】
このように、本実施の形態にかかる電力変換装置では、力率に応じたキャリア信号の周波数の制御を行うことで、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００２６】
なお、キャリア信号生成部５におけるキャリア信号の周波数の設定においては、キャリア信号生成部５に入力されたキャリア周波数指令値に対し、力率に応じた係数を乗じる等の計算式を用いて算出するものであってもよいし、力率とキャリア信号の周波数との関係をテーブルとして保持し、このテーブルを用いて、力率に対応する周波数を導出するものであってもよい。
【００２７】
図６は、実施の形態１にかかる電力変換装置として、コンバータ装置を構成した一例を示す図である。図６に示す例では、交流電源２００から３相の交流電力を供給され、負荷７に直流電力を供給する構成例を示している。
【００２８】
図６に示す例では、電流検出部３は、主回路１の各相アームの入力電流を検出し、力率演算部４は、主回路１の各相アームの入力電流および各相の電圧指令値に基づき力率を演算する。
【００２９】
図６に示す構成においても、本実施の形態において説明した制御を行うことにより、図１に示す構成と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３０】
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置によれば、力率に応じて、キャリア信号の周波数を変化させるようにしたので、力率が大きい場合に必要なマージンを確保しつつ、力率が０に近づくに従い、キャリア信号の周波数を低くすることで、力率が小さく、２アームＰＷＭ変調制御によるスイッチングロス低減効果が小さい場合でも、マージンを超えて故障に至ることを防止することができる。また、発生損失が想定よりも小さい場合には、その損失マージンを有効に利用してキャリア信号の周波数を高くすることで、負荷として接続されたＩＭモータ等から発生する騒音を低減できる。つまり、力率に応じたキャリア信号の周波数の制御を行うことで、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００３１】
実施の形態２．
本実施の形態では、力率に応じて過電流検出の際の電流保護レベルを可変する例について説明する。
【００３２】
図７は、実施の形態２にかかる電力変換装置として、インバータ装置を構成した一例を示す図である。図７に示す例においても、実施の形態１において説明した図１の構成と同様に、直流電源１００から直流電力を供給され、負荷７として接続されたＩＭモータに交流電力を供給する構成例を示している。なお、実施の形態１において説明した図１の構成と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
実施の形態２にかかる電力変換装置では、図１に示した実施の形態１の構成に加え、力率演算部４から出力される力率に応じた電流保護レベルを演算する電流保護レベル演算部８と、主回路１の出力電流が電流保護レベルを超えた場合に、主回路１の動作を停止させる電流保護監視部９とをさらに備えている。なお、電流保護監視部９は、主回路１の動作を停止させる際に、ＰＷＭ信号生成部６によるＰＷＭ信号の生成を停止させることで、主回路１の動作を停止するものであってもよいし、例えば、直流電源１００から供給される直流電力の供給経路を遮断するものであってもよい。あるいは、これら双方の手法を併用するものであってもよい。
【００３４】
つぎに、実施の形態２にかかる電力変換装置の動作について説明する。本実施の形態においても、主回路１を２アームＰＷＭ変調制御により動作させる例について説明する。
【００３５】
本実施の形態では、力率に応じて、電流保護レベルを変化させる。より具体的には、電流保護レベル演算部８において、力率演算部４により求められた力率が０に近づくに従い、電流保護レベルを低くする。あるいは、力率が１に近づくに従い、電流保護レベルを高くする。
【００３６】
例えば、力率０を想定した設計を行った電力変換装置を力率１で運用する場合には、発生損失が想定よりも小さくなる。そこで、その損失マージンを有効に利用して電流保護レベル（過電流保護動作電流）を高くすることで、より大きな負荷７に適用することが可能となる。
【００３７】
このように、本実施の形態にかかる電力変換装置では、力率に応じた電流保護レベルの制御を行うことで、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００３８】
なお、電流保護レベル演算部８における電流保護レベルの設定においては、予め定めた電流保護レベルの基準値に対し、力率に応じた係数を乗じる等の計算式を用いて算出するものであってもよいし、力率と電流保護レベルとの関係をテーブルとして保持し、このテーブルを用いて、力率に対応する電流保護レベルを導出するものであってもよい。
【００３９】
図８は、実施の形態２にかかる電力変換装置として、コンバータ装置を構成した一例を示す図である。図８に示す例においても、実施の形態１において説明した図６の構成と同様に、交流電源２００から３相の交流電力を供給され、負荷７に直流電力を供給する構成例を示している。
【００４０】
図８に示す例では、電流検出部３は、主回路１の各相アームの入力電流を検出し、力率演算部４は、主回路１の各相アームの入力電流および各相の電圧指令値に基づき力率を演算する。
【００４１】
図８に示す構成においても、本実施の形態において説明した制御を行うことにより、図７に示す構成と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４２】
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置によれば、力率に応じて、電流保護レベルを変化させるようにしたので、発生損失が想定よりも小さい場合には、その損失マージンを有効に利用して電流保護レベルを高くすることで、より大きな負荷に適用することができる。つまり、力率に応じた電流保護レベルの制御を行うことで、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００４３】
実施の形態３．
本実施の形態では、力率に応じて過熱保護を行う際の過熱保護レベルを可変する例について説明する。
【００４４】
図９は、実施の形態３にかかる電力変換装置として、インバータ装置を構成した一例を示す図である。図９に示す例においても、実施の形態１において説明した図１の構成と同様に、直流電源１００から直流電力を供給され、負荷７として接続されたＩＭモータに交流電力を供給する構成例を示している。なお、実施の形態１において説明した図１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
実施の形態３にかかる電力変換装置では、図１に示した実施の形態１の構成に加え、主回路１の温度を検出する温度検出部１０と、力率演算部４から出力される力率に応じた過熱保護レベルを演算する過熱保護レベル演算部１１と、主回路１の温度が過熱保護レベルを超えた場合に、主回路１を停止させる過熱保護監視部１２とをさらに備えている。なお、過熱保護監視部１２は、主回路１の動作を停止させる際に、ＰＷＭ信号生成部６によるＰＷＭ信号の生成を停止させることで、主回路１の動作を停止するものであってもよいし、例えば、直流電源１００から供給される直流電力の供給経路を遮断するものであってもよい。あるいは、これら双方の手法を併用するものであってもよい。また、温度検出部１０としては、例えば、主回路１に取り付けられたヒートシンク等の放熱器（図示せず）の温度を検出するものであってもよいし、主回路１の表面温度を検出するものであってもよく、主回路１を構成するスイッチング素子のジャンクション（接合部）温度を推定可能な温度が検出できるものであればよい。
【００４６】
つぎに、実施の形態３にかかる電力変換装置の動作について説明する。本実施の形態においても、主回路１を２アームＰＷＭ変調制御により動作させる例について説明する。
【００４７】
スイッチング素子のジャンクション温度の上限値は一般に１５０℃程度であり、この上限値に対し、主回路１の動作時における温度マージンを設けるのが一般的である。本実施の形態では、ジャンクション温度を直接検出できない構成において、温度検出部１０からスイッチング素子のジャンクションまでの熱抵抗とスイッチング素子の損失とを乗じて温度検出部１０により検出された温度に加算することで、スイッチング素子のジャンクション温度を推定する。
【００４８】
主回路１の熱設計において、例えば、力率１を想定して設計を行った場合の発熱量に対し、電力変換装置を力率０で運用する場合には、２アームＰＷＭ変調制御によるスイッチングロス低減効果が小さくなるため、発生損失が想定よりも大きくなり、実際の発熱量が大きくなる。このため、過熱保護監視部１２における温度検出部１０の検出温度に対する過熱保護レベル（過熱保護動作温度）を低くする必要がある。
【００４９】
したがって、本実施の形態では、力率に応じて、過熱保護レベルを変化させる。より具体的には、過熱保護レベル演算部１１において、力率演算部４により求められた力率が０に近づくに従い、温度検出部１０の検出温度に対する過熱保護レベルを低くする。このようにすれば、予め想定したよりも発生損失が大きい場合でも、スイッチング素子のジャンクション温度の上限値を超える前に、主回路１を停止させることが可能となり、過熱による故障を未然に防ぐことができる。あるいは、力率が１に近づくに従い、過熱保護レベルを高くすることで、運用温度範囲を拡大することができる。
【００５０】
このように、本実施の形態にかかる電力変換装置では、力率に応じた過熱保護レベルの制御を行うことで、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００５１】
なお、過熱保護レベル演算部１１における過熱保護レベルの設定においては、予め定めた過熱保護レベルの基準値に対し、力率に応じた係数を乗じる等の計算式を用いて算出するものであってもよいし、力率と過熱保護レベルとの関係をテーブルとして保持し、このテーブルを用いて、力率に対応する過熱保護レベルを導出するものであってもよい。
【００５２】
図１０は、実施の形態３にかかる電力変換装置として、コンバータ装置を構成した一例を示す図である。図１０に示す例においても、実施の形態１において説明した図６の構成と同様に、交流電源２００から３相の交流電力を供給され、負荷７に直流電力を供給する構成例を示している。
【００５３】
図１０に示す例では、電流検出部３は、主回路１の各相アームの入力電流を検出し、力率演算部４は、主回路１の各相アームの入力電流および各相の電圧指令値に基づき力率を演算する。
【００５４】
図１０に示す構成においても、本実施の形態において説明した制御を行うことにより、図９に示す構成と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５５】
以上説明したように、実施の形態３の電力変換装置によれば、力率に応じて、温度検出部の検出温度に対する過熱保護レベルを変化させるようにしたので、発生損失が想定よりも大きい場合には、過熱保護レベルを低くすることで、スイッチング素子のジャンクション温度の上限値を超える前に、主回路を停止させ、過熱による故障を未然に防ぐことが可能となる。つまり、力率に応じた過熱保護レベルの制御を行うことで、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００５６】
実施の形態４．
本実施の形態では、主回路にヒートシンク等の放熱器を具備し、その放熱器の冷却能力を可変可能なファン等の冷却機構を有する構成において、その冷却機構の冷却能力を、力率に応じて可変する例について説明する。
【００５７】
図１１は、実施の形態４にかかる電力変換装置として、インバータ装置を構成した一例を示す図である。図１１に示す例においても、実施の形態１において説明した図１の構成と同様に、直流電源１００から直流電力を供給され、負荷７として接続されたＩＭモータに交流電力を供給する構成例を示している。なお、実施の形態１において説明した図１と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５８】
実施の形態４にかかる電力変換装置では、図１に示した実施の形態１の構成に加え、主回路１を冷却する冷却機構１３と、力率に応じて冷却機構１３の冷却能力を制御する冷却機構制御部１４とをさらに備えている。なお、冷却機構１３としては、例えば、主回路１に取り付けられたヒートシンク等の放熱器（図示せず）の冷却能力を可変可能なファン等を想定しているが、これに限らず、冷却能力を可変可能なものであればよい。
【００５９】
つぎに、実施の形態４にかかる電力変換装置の動作について説明する。本実施の形態においても、主回路１を２アームＰＷＭ変調制御により動作させる例について説明する。
【００６０】
実施の形態３において説明したように、主回路１の熱設計において、例えば、力率１を想定して設計を行った場合の発熱量に対し、電力変換装置を力率０で運用する場合には、２アームＰＷＭ変調制御によるスイッチングロス低減効果が小さくなるため、発生損失が想定よりも大きくなり、実際の発熱量が大きくなる。また、例えば、力率０を想定して設計を行った場合の発熱量に対し、電力変換装置を力率１で運用する場合には、２アームＰＷＭ変調制御によるスイッチングロス低減効果が大きくなるため、発生損失が想定よりも小さくなり、実際の発熱量が小さくなる。
【００６１】
実施の形態３では、検出温度に対する過熱保護レベル（過熱保護動作温度）を変化させる例について説明したが、本実施の形態では、力率に応じて、冷却機構１３の冷却能力を変化させる。より具体的には、冷却機構制御部１４において、力率演算部４により求められた力率が０に近づくに従い、冷却機構１３の冷却能力を高くする。あるいは、力率が１に近づくに従い、冷却機構１３の冷却能力を低くする。このようにすれば、予め想定したよりも発生損失が大きい場合でも、冷却機構１３の冷却能力が高くなることで、過熱によるスイッチング素子の故障を未然に防ぐことができる。
【００６２】
また、予め想定したよりも発生損失が小さい場合には、冷却機構１３の冷却能力を低下させることで、冷却機構１３により消費されるエネルギーを減少させることができ、省エネ効果を得ることができる。
【００６３】
このように、本実施の形態にかかる電力変換装置では、力率に応じた冷却機構１３の冷却能力の制御を行うことで、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００６４】
なお、冷却機構制御部１４における冷却機構１３の冷却能力の決定においては、予め定めた冷却能力の基準値に対し、力率に応じた係数を乗じる等の計算式を用いて算出するものであってもよいし、力率と冷却能力との関係をテーブルとして保持し、このテーブルを用いて、力率に対応する冷却能力を導出するものであってもよい。
【００６５】
つぎに、冷却機構１３の一例として、主回路１に取り付けられたヒートシンク等の放熱器（図示せず）の冷却能力を可変可能なファンを具備している例について説明する。
【００６６】
この場合には、冷却機構１３の冷却能力の指標として、ファンの回転数を可変するようにすればよい。より具体的には、冷却機構制御部１４において、力率演算部４により求められた力率が０に近づくに従い、ファンの回転数を高くする。あるいは、力率が１に近づくに従い、ファンの回転数を低くする。
【００６７】
また、冷却機構制御部１４におけるファンの回転数の決定においては、予め定めたファンの回転数の基準値に対し、力率に応じた係数を乗じる等の計算式を用いて算出するものであってもよいし、力率とファンの回転数との関係をテーブルとして保持し、このテーブルを用いて、力率に対応するファンの回転数を導出するものであってもよい。
【００６８】
図１２は、実施の形態４にかかる電力変換装置として、コンバータ装置を構成した一例を示す図である。図１２に示す例においても、実施の形態１において説明した図６の構成と同様に、交流電源２００から３相の交流電力を供給され、負荷７に直流電力を供給する構成例を示している。
【００６９】
図１２に示す例では、電流検出部３は、主回路１の各相アームの入力電流を検出し、力率演算部４は、主回路１の各相アームの入力電流および各相の電圧指令値に基づき力率を演算する。
【００７０】
図１２に示す構成においても、本実施の形態において説明した制御を行うことにより、図１１に示す構成と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００７１】
以上説明したように、実施の形態４の電力変換装置によれば、力率に応じて、冷却機構の冷却能力を変化させるようにしたので、発生損失が想定よりも大きい場合には、冷却機構の冷却能力を高くすることで、過熱によるスイッチング素子の故障を未然に防ぐことができ、また、予め想定したよりも発生損失が小さい場合には、冷却機構の冷却能力を低下させることで、冷却機構により消費されるエネルギーを減少させ、省エネ効果を得ることができる。つまり、力率に応じた冷却機構の冷却能力の制御を行うことで、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得ることができる。
【００７２】
なお、上述した実施の形態では、力率演算部は、検出した電流およびその電流に対応する相の電圧指令値から力率演算を行うものとして説明したが、電流検出部により検出される電流に代えて、装置内部で生成される電流指令値を用いて力率演算を行う構成としても良いし、あるいは、電圧指令値に代えて、出力電圧の実測値を用いて力率演算を行う構成としても良いことは言うまでもない。
【００７３】
また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上のように、本発明は、回転子に永久磁石を用いた３相の同期電動機に有用であり、特に、２アームＰＷＭ変調制御により電力変換を行う電力変換装置に適している。
【符号の説明】
【００７５】
１  主回路、２  電圧指令生成部、３  電流検出部、４  力率演算部、５  キャリア信号生成部、６  ＰＷＭ信号生成部、７  負荷、８  電流保護レベル演算部、９  電流保護監視部、１０  温度検出部、１１  過熱保護レベル演算部、１２  過熱保護監視部、１３  冷却機構、１４  冷却機構制御部、１００  直流電源、２００  交流電源。
【要約】
２アームＰＷＭ変調制御により電力変換を行う電力変換装置において、力率に対する制限を緩和することができ、力率に依らず能力を有効活用することが可能な汎用性の高い電力変換装置を得る。２アームＰＷＭ変調制御により三相の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置であって、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成される主回路１と、主回路１の電圧指令値を生成する電圧指令生成部２と、主回路１の出力電流のうちの少なくとも１つを検出する電流検出部３と、出力電流および電圧指令値に基づき力率を演算する力率演算部４と、力率に応じた周波数のキャリア信号を生成するキャリア信号生成部５と、電圧指令値とキャリア信号とを比較して、スイッチング素子をスイッチング制御するＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成部６とを備える。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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